李崢祥 于忠鋒

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司）

尾礦庫是用以貯存金屬、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場所。尾礦壩是指攔擋尾礦和水的外圍構(gòu)筑物，通常指初期壩和尾礦堆積壩的總體［1］。尾礦庫是重大危險源，存在壩體失穩(wěn)破壞的可能，這將會威脅周圍居民及設(shè)施安全，帶來諸多環(huán)境和災(zāi)害問題［2］。尾礦庫在地震作用下，砂土、粉土等的液化導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低，更容易發(fā)生潰壩。國內(nèi)外專家進(jìn)行了廣泛研究，如Newmark［3］、Seed［4］、Finn、美國國家研究委員會NRC、謝定義［5］、Ishihara［6］，這些研究為地震作用下壩體動力穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ)。本文采用加拿大巖土軟件公司的Geo-studio軟件進(jìn)行動力穩(wěn)定性分析，對現(xiàn)行尾礦庫安全性做出評價，以期為其他尾礦庫安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 尾礦庫基本情況及數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 尾礦庫基本情況介紹

某高尾礦庫位于河南西部山區(qū)，屬于山谷型尾礦庫，初期壩為碾壓堆石壩，設(shè)計(jì)壩頂標(biāo)高1 270 m，壩高60 m，壩頂寬4 m，上下游壩坡坡比均為1∶2.0，壩軸線長約160 m；后期采用尾砂上游法筑壩，標(biāo)高1 270～1 370 m尾砂平均堆積邊坡為1∶4；標(biāo)高1 370 m至最終堆積標(biāo)高1 470 m尾砂平均堆積邊坡為1∶5，總堆積高200 m，尾礦庫總壩高260 m，總庫容約4 270×104m3，有效庫容約3 850×104m3，為二等庫。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863—2013）要求對尾礦壩抗滑進(jìn)行專門的動力抗震計(jì)算。

1.2 尾礦壩有限元模型建立

壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用Geo-Studio軟件進(jìn)行分析，計(jì)算采用該軟件中的Slope模塊。根據(jù)工勘資料，選取位于尾礦庫主溝底的鉛直剖面為計(jì)算剖面，浸潤線情況采用工勘實(shí)測資料，取底面高程為+1 181 m，頂部高程為+1 351 m，水平距離為810 m，建立計(jì)算有限元模型，有限元網(wǎng)格共有5 956個節(jié)點(diǎn)，6 868個單元，具體有限元網(wǎng)格剖分見圖1。

1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)工勘資料給出了尾礦庫各土層物理力學(xué)參數(shù)的建議值。其中尾粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角建議值為22°，高于規(guī)范上的建議值16°，說明該尾粉質(zhì)黏土固結(jié)情況較好，其物理力學(xué)參數(shù)在固結(jié)過程中有所提高，參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)偏安全考慮，本次尾礦庫壩體穩(wěn)定計(jì)算時尾粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角按20°考慮，動力計(jì)算時初期壩及尾砂的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

1.4 地震加速度的輸入

該庫區(qū)所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組。根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191—2012），6度地震區(qū)的2級尾礦庫在壩體穩(wěn)定計(jì)算時可只考慮水平向地震作用。在進(jìn)行本次壩體動力計(jì)算時，采用與該場地條件相近的一條水平向地震波，地震波時間間隔均為0.02 s，其地震波持續(xù)時間為16 s，并將地震加速度時程的峰值調(diào)整為場地基本加速度值0.05g，再作為輸入地震波曲線。計(jì)算采用的地震波形見圖2。

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2 動力分析計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 反應(yīng)加速度

壩體不同時刻同一位置加速度反應(yīng)不同，壩體不同位置同一時刻地震加速度反應(yīng)亦不同。選取地質(zhì)加速度最大時刻7.86 s，加速度比較大的位置集中在初期壩上游壩坡和堆積壩壩頂正下方庫底尾粉土層；最大加速度值為0.084g，位于初期壩上游壩坡面中部，壩體各點(diǎn)加速度響應(yīng)分布見圖3。

2.2 位移變化

地震作用下從堆積壩壩坡頂部向堆積壩壩下游和庫尾方向水平向位移逐漸減小。壩體水平向位移隨土層埋深增加逐漸減小，最大水平向位移為0.006 6 m。壩體水平向位移分布見云圖4。

2.3 液化分析

砂土或粉土受地震力作用，土體積縮小、孔隙壓力劇增，從而使有效應(yīng)力減小。土抗剪強(qiáng)度迅速減小或完全喪失抗剪強(qiáng)度，土體像液體一樣流動或噴出地面，形成液化［7］。經(jīng)過計(jì)算，尾礦壩在峰值加速度為0.05g的水平地震波作用下不會發(fā)生液化，循環(huán)應(yīng)力比分布見圖5。根據(jù)壩體循環(huán)應(yīng)力比分布圖可知，在初期壩下游浸潤線逸出處周圍及堆積壩庫尾沉積灘處是易液化區(qū)。在尾礦庫運(yùn)行中，應(yīng)注意降低初期壩下游浸潤線以提高壩體穩(wěn)定。上游庫尾容易液化區(qū)范圍較小且距離壩體較遠(yuǎn)，對壩體穩(wěn)定影響較小。

2.4 安全穩(wěn)定性分析

在持續(xù)一定時間的地震波作用下，地震慣性力的方向和幅值都隨時間不斷發(fā)生改變，壩坡的瞬時安全系數(shù)和臨界破壞面的位置與形狀都隨時間不斷變化。為了較為準(zhǔn)確地模擬地震作用下壩坡穩(wěn)定的時間效應(yīng)，就需要對壩體進(jìn)行時間域上的動力有限元分析［8］。圖6給出了尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)隨時間變化的時程曲線。由圖6可見，時間0 s時，安全系數(shù)為1.719，之后安全系數(shù)一直維持在1.430～1.438，均大于《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》地震工況下最小安全系數(shù)1.15。安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在16 s，地震各歷時安全系數(shù)均大于1.0，地震過程中不會發(fā)生瞬時失穩(wěn)滑動，該尾礦庫為正常庫。

3 結(jié) 語

（1）河南西部山區(qū)某二等尾礦庫尾礦壩加速度比較大的位置集中在初期壩上游壩坡和堆積壩壩頂正下方庫底尾粉土層。

（2）壩體水平向位移從堆積壩壩坡頂部呈放射狀逐漸減小，最大水平向位移為0.006 6 m。

（3）在峰值加速度為0.05g的水平地震波作用下不會發(fā)生液化，壩下游浸潤線逸出處周圍及堆積壩庫尾沉積灘處是易液化區(qū)。在尾礦庫運(yùn)行中應(yīng)注意降低初期壩下游浸潤線以提高壩體穩(wěn)定。

（4）地震作用下不同歷時安全系數(shù)一直維持在1.430～1.438，最小值出現(xiàn)在16 s，地震各歷時安全系數(shù)均大于1.0，地震過程中不會發(fā)生瞬時失穩(wěn)滑動，故此尾礦庫屬于正常尾礦庫。